Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

 Задание на курсовое проектирование по курсу

«Основы электроники и схемотехники»

Студент: Данченков А.В.  группа ИИ-1-95.

Тема:  «Проектирование усилительных устройств на базе интегральных операционных усилителей»

Вариант №2.

      Расчитать усилитель мощности  на базе интегральных операционных усилителей с двухтактным оконечным каскадом на дискретных элементах в режиме АВ.

Исходные данные:

      Оценить, какие параметры усилителя влияют на завал  АЧХ в области верхних и нижних частот.

Содержание

 Структура усилителя мощности .................................................................... 3     

     Предварительная схема УМ (рис.6) .............................................................. 5

     Расчёт параметров усилителя мощности ...................................................... 6

1.   Расчёт амплитудных значений тока и напряжения .............................. 6

2.   Предварительный расчёт оконечного каскада ....................................._. 6

3.   Окончательный расчёт оконечного каскада ......................................... 9

4.   Задание режима АВ. Расчёт делителя .................................................. 10

5.   Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС ................................ 11

6.   Оценка параметров усилителя на завал АЧХ в области ВЧ и НЧ ...... 12

     Заключение .................................................................................................... 13

     Принципиальная схема усилителя мощности .............................................. 14

     Спецификация элементов .............................................................................. 15

     Библиографический список .......................................................................... 16

Введение

            В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества .

          В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные  устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.

          В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ) на основе операционных усилителей (ОУ).  В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства,  расчёт цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства. 

          Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить колличество и тип основных элементов - интегральных операционных усилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему  предварительного усилительного каскада на ОУ и оконечного каскада (бустера).  Затем необходимо расчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя ( в нашем случае АВ ) и оценить влияние параметров элементов схемы на АЧХ в области верхних и нижних частот.

          Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости входящих в него компонентов.

Структура усилителя мощности

         Усилитель мощности предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. Усиление напряжения в нём является  второстепенным фактом.          Для того  чтобы  усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие R_вых= R_{н .} 

              Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность P_н , коэффициент полезного действия h , коэффициент нелинейных искажений K_г   и полоса пропускания АЧХ.

         Оценив требуемые по заданию параметры усилителя мощности, выбираем структурную схему , представленную на  рис.1 , основой которой является предварительный усилительный каскад на двух интегральных операционных усилителях  К140УД6  и оконечный каскад (бустер) на комплементарных парах биполярных транзисторов. Поскольку нам требуется усиление по мощности, а усиление по напряжению для нас не важно, включим транзисторы оконечного каскада по схеме “общий коллектор” (ОК). При такой схеме включения оконечный каскад позволяет осуществить согласование низкоомной нагрузки с интегральным операционным усилителем, требующим на своём входе высокоомную   нагрузку (т.к. каскад “общий коллектор”  характеризуется  большим входным R_вх  и малым выходным R_вых сопротивлениями), к тому же каскад ОК имеет малые частотные искажения и малые коэффициенты нелинейных искажений. Коэффициент усиления по напряжению  каскада “общий коллектор”  K_u £ 1.

        Для повышения стабильности работы усилителя мощности предварительный и оконечный каскады охвачены общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. В качестве разделительного элемента на входе УМ применён конденсатор C_р . В качестве источника питания применён двухполярный источник с напряжением              E_к = ± 15 В.

        Режим работы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом усиления) входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пять классов усиления: А, В, АВ, С и D , но мы рассмотрим только три основных: А, В и АВ.

        Режим класса А характеризуется  низким уровнем нелинейных искажений (K_г £ 1%) низким КПД  (h <0,4). На выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1)  в режиме класса А  рабочая точка ( I_K0 и U_KЭ0) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы.  При работе в режиме класса А транзистор всё время  находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любой момент. Режим усиления класса А  применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения  а  P_н  и h не имеют решающего значения.

        Режим класса В характеризуется  большим уровнем нелинейных искажений (K_г £ 10%) и  относительно высоким КПД  (h <0,7).  Для этого класса характерен I_Б0 = 0 ( рис 2.2), то есть в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания.   Режим В применяется в мощных выходных каскадах, когда неважен высокий уровень искажений.

         Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами  классов А и В. Он применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нём протекает небольшой                  ток  I_Б0  (рис. 2.3),  выводящий основную часть рабочей полуволны  U_вх  на участок  ВАХ  с относительно малой нелинейностью. Так как I_Б0  мал, то h здесь выше, чем в классе А , но ниже, чем в классе В , так как всё же I_Б0 > 0. Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ , относительно невелики (K_г £ 3%) .

          В данном курсовом проекте режим класса АВ задаётся делителем на резисторах R₃ - R₄  и кремниевых диодах VD₁-VD₂ .

            рис 2.1                                        рис 2.2                                           рис 2.3

Расчёт параметров усилителя мощности

           1. Расчёт амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке

1.1 Найдём значение амплитуды на нагрузке U_н . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

                            U_н²                                     ______       ______________

P_н =  ¾¾¾    Þ   U_н = Ö 2R_н P_н    = Ö 2 * 4 Ом * 5 Вт  =  6.32 В

                           2R_н

1.2  Найдём значение амплитуды тока на нагрузке  I_н  :

                                                                                           U_н                        6.32 В

                           I_н =  ¾¾¾  =   ¾¾¾¾  =  1.16 А

                                                        R_н                          4 Ом

2. Предварительный расчёт оконечного каскада

         Для упрощения расчёта проведём его сначала для режима В.

 2.1 По полученному значению I_н  выбираем по таблице ( I_{к ДОП} > I_н)  комплиментарную пару биполярных транзисторов  VT1-VT2 :  КТ-817 (n-p-n типа) и КТ-816 (p-n-p типа).  Произведём  предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера (см рис. 3.1).

Рис. 3.1

2.2   Найдём входную мощность оконечного каскада P_вх . Для этого нужно сначала расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада K_p^ок , который равен произведению коэффициента усиления по току K_i  на коэффициент усиления по напряжению K_u :

K_p^ок = K_i * K_u

        Как известно, для каскада ОК  K_u £ 1 , поэтому, пренебрегая K_u , можно записать:

K_p^ок » K_i

        Поскольку  K_i = b+1  имеем:

K_p^ок » b+1

         Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем  b = 30.   Поскольку b велико, можно принять K_p^ок  = b+1 » b.  Отсюда  K_p^ок  = 30 .

         Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

                                                                       P_н

 K_p^ок  = ¾¾

                                                                       P_вх

                                          P_н           

         получим        P_вх =  ¾¾    ,  а с учётом предыдущих приближений

                                         K_p^ок

2.3    Определим амплитуду тока базы  транзистора VT1   I_б^vt1 :

                                I_к

                    I_б = ¾¾¾   ,     т.к.  I_н = I_к^vt1       получим :

                              1+b

                                             I_н                       I_н               1600 мА              

I_б^vt1  = ¾¾¾  » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА

                                         1+b^vt1                 b^vt1                     30

2.4   Определим по входной ВАХ транзистора напряжение на управляющем

         переходе U_бэ  (cм. рис 3.2)

рис 3.2

        Отсюда находим входное напряжение U_вх^vt1

U_вх^vt1 = U_бэ^vt1 + U_н  = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

2.5    Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера R_вх :

                                          U_вх                 U_вх                 7.6 В

R_вх = ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

                                          I_вх^vt1                I_б^vt1             5.2*10^-3

               Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя  К140УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для    К140УД6   минимальное сопротивление нагрузки   R_{min оу} = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление R_вх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 I_б^vt1 (который является одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную пару на транзисторах КТ-361 (p-n-p типа) и КТ-315 (n-p-n типа). Соответственно схема оконечного каскада примет вид, показанный на  рис. 3.3 .

рис. 3.3

3. Окончательный расчёт оконечного каскада

3.1   Расчитаем входную мощность  P_вх^ок полученного составного оконечного каскада.  Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1   P_вх  мы посчитали в пункте 2.2 , получим :

                                           P_вх                 P_вх             160 мВт

P_вх^ок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт

                                         b^vt3+1          b             50

3.2    Определим амплитуду тока базы   I_б^vt3  транзистора VT3. Поскольку      I_к^vt3 » I_б^vt1  имеем :

                                              I_к^vt3                  I_б^vt1           52 мА

I_б^vt3 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА

                                            1+b^vt3              b^vt3                  50

3.3  Определим  по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе  U_бэ^vt3  (см. рис. 3.4 ). Поскольку U_бэ^vt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада U_вх^ок имеем:

U_вх^ок = U_н + U_бэ^vt1 + U_бэ^vt1  = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

рис 3.4

3.4      Определим входное сопротивление оконечного каскада R_вх^ок :

                                                     U_вх^ок         8  В

R_вх^ок =  ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм

                                                       I_б^vt3              1 мА

          Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

 R_вх^ок ³ R_{н min оу}

  где  R_{н min оу} = 1кОм (для ОУ  К140УД6).

4. Задание режима АВ. Расчёт делителя

         Для перехода от режима В к режиму АВ на вход верхнего плеча нужно подать смещающее напряжение  +0.6 В,  а на  вход нижнего плеча - –0.6 В. При этом, поскольку эти смещающие напряжения  компенсируют друг друга, потенциал как на входе оконечного каскада, так и на его выходе останется нулевым. Для задания смещающего напряжения применим кремниевые диоды КД-223 (VD1-VD2, см. принципиальную схему), падение напряжения на которых U_д = 0.6 В

          Расчитаем сопротивления делителя R_д1= R_д2= R_д . Для этого зададим ток делителя I_д, который должен удовлетворять условию:

I_д  ³ 10*I_б^vt3

         Положим I_д = 3 А  и воспользуемся формулой

                                     Е_к – U_д              (15 – 0.6) В

R_д =  ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

                                          I_д                               3 А

5. Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС

        Для улучшения ряда основных показателей и  повышения стабильности работы усилителя  охватим предварительный и оконечный каскады УМ общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС)  по напряжению. Она задаётся резисторами R₁ и R₂  (см. схему на рис. 6 ).

        Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению  K_u^оу1  равен 3*10⁴ . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

K_u^оу = K_u^оу1 * K_u^оу2 = 9*10⁸

        Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной  связью  K_{u ос}  равен:

                             U_{вых ос}                К_u                ( K_u^оу1 * K_u^оу2 * K_u^ок)          1

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾

                                E_г               1 + cK_u            1 + c( K_u^оу1 * K_u^оу2 * K_u^ок)      c

рис. 3.5

        Изобразим упрощённую схему нашего усилителя , заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ).  Здесь R_н^экв º R_вх^ок = 8 кОм ;  U_{вых ос} = U_вх^ок = 8 В ,          Е_г = 15 В  (из задания ).

                                                   U_{вых ос}         8000 мВ

K_{u ос} = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

                                                       E_г                1.5 мВ

                                                     1            

¾  = K_{u ос} = 5333

                                                     c

         Найдём параметры сопротивлений R₁ и R₂ , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от  сопротивлений R₁ и R₂ может быть представлена следующим образом:

                                                                   R₁

c =  ¾¾¾

        R₁ + R₂

               Зададим R₁ = 0.1 кОм .  Тогда :

                   1            R₁                     1

 ¾¾  = ¾¾¾ =  ¾¾¾ Þ  5333 = 1 + 10R₂  Þ  R₂ = 540 кОм

                K_{u ос}      R₁ + R₂            5333

6. Оценка влияния параметров усилителя  на завал                  АЧХ в области верхних и нижних частот

       Усилитель мощности должен работать в определённой полосе частот         ( от ¦_н   до ¦_в ) .   Такое задание частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах  ¦_н   и ¦_в  усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений М_н и М_в соответственно на частотах  ¦_н   и ¦_в  равены:

                                                                   __

М_н = М_в = Ö 2       (3 дБ)

        В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени t_нс цепи переразряда разделительной ёмкости  С_р  :

                                                        _________________

М_нс = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦_нt_нс ))²   

        Постоянная времени t_нс  зависит от ёмкости конденсатора С_р и сопротивления цепи  переразряда  R_раз :

t_нс = С_р* R_раз

             При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) М_н равно произведению М_нс  каждой ёмкости:

М_н = М_нс1 * М_нс2

         Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а так же ёмкомтью нагрузки, если она имеется.  Коэффициент частотных искажений на частоте  ¦_в   равен произведению частотных искажений каждого каскада усилителя:

М_{в ум} = М_в1 * М_в2 * М_в^ок * М_вн

               Здесь М_в1 , М_в2 , М_в^ок , М_вн  - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки С_н . Если K_{u оу}  выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( М_в1 = М_в2 = 1).

         Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

                                                          _________  

М_в^ок = 1 + ( Ö 1+ (¦_в /¦_b)  - 1)(1 - K_u^oк)

         Здесь ¦_b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки М_вн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки С_н в области высоких частот зависит от постоянной времени t_вн нагрузочной ёмкости :

                                                        __________________

М_вн = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦_вt_вн ))²   

t_вн = С_н* (R_вых^ум  | | R_н)

          При неправильном введении отрицательной обратной связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС ( положительная обратная связь) и тогда устройство из усилителя превратится в генератор. Это происходит за счёт дополнительных фазовых сдвигов , вносимых как самим усилителем, так и цепью обратной связи. Эти сдвиги тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей обратной связью. Поэтому не рекомендуется охватывать общей ООС больше, чем три каскада.   

Заключение

      В данном курсовом проекте мы расчитали основные параметры и элементы усилителя мощности, а так же оценили влияние параметров усилителя на завалы  АЧХ в области верхних и нижних частот.

Спецификация элементов

Библиографический список

1.   Д. В. Игумнов, Г.П. Костюнина - “Полупроводниковые устройства                    

     непрерывного действия “ - М: “Радио и связь”, 1990 г.

2.   В. П. Бабенко, Г.И. Изъюрова  - “Основы радиоэлектроники”. Пособие по

     курсовому проектированию - М: МИРЭА, 1985 г.

3.   Н.Н. Горюнов - “ Полупроводниковые приборы: транзисторы”   

     Справочник - М: “Энергоатомиздат”, 1985 г.